[發明專利]一種可調式激光同軸送粉噴嘴

無效

• 申請號: 200810017901.6
• 申請日: 2008-04-08
• 公開（公告）號: CN101264519A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 張安峰;孫哲;李滌塵;趙萬華;盧秉恒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 朱海臨

技術領域

本發明涉及一種激光金屬直接制造用噴嘴，特別涉及一種激光同軸送粉噴嘴，屬于激光加工和激光快速制造領域。

背景技術

激光金屬直接制造技術融合了快速成形技術和激光熔覆技術，是快速成形基本原理和激光加工技術精華的集成。以“離散-堆積”成形原理為基礎。首先在計算機中生成最終功能零件的三維CAD模型；然后將該模型按一定的厚度分層切片，控制成形系統采用激光同軸送粉噴嘴按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料；最終形成三維凈成形實體零件。

目前，激光金屬直接制造技術主要有三種供粉方法：鋪粉法、側向送粉法和同軸送粉法。鋪粉法需要在激光熔化前把粉末預鋪在工件表面，經激光熔覆堆積成形。主要問題是容易產生氣孔、夾雜等缺陷，稀釋率難以控制。側向送粉可實現粉末和基體同時熔化，但激光束與送粉區重合程度不易控制，容易出現激光掃描方向各向異性，影響熔覆成形質量。同軸送粉可解決上述問題，調整激光聚焦點與粉末匯聚點重合，獲得粉末的最大利用率和最小的稀釋率。

目前同軸送粉噴嘴主要有兩種形式：四管式同軸送粉噴嘴和錐環式同軸送粉噴嘴。美國Sandia國家實驗室用于激光工程化凈成形技術(LENS)的同軸噴嘴采用了四管式同軸送粉噴嘴(美國專利U.S.Pat.4724299)，雖然激光焦點位置與粉末焦點可以調節，噴嘴內通有冷卻水而得到很好冷卻，但粉末很難在周向均勻噴入激光熔池，且沒有專門的保護氣體防止氧化。另一美國專利U.S.Pat.5477026的基本結構為多層同心錐筒形式，包含同軸光路通道、粉路通道和氣路通道，粉末流采用三路或四路垂直進入方式.靠近端部有冷卻裝置。主要不足為噴嘴出口的粉末流均勻性相對較差，不能滿足精密制造均勻同軸送粉的要求，噴嘴自身不具備調節匯聚直徑的能力。清華大學采用垂直裝卸的分體式激光熔覆同軸送粉噴嘴(CN1390649A)，華南理工大學研制的環式同軸激光熔覆噴嘴(CN2707772Y)，后三種同軸送粉噴嘴的結構基本相似。

發明內容

鑒于激光金屬直接制造對同軸送粉噴嘴提出了更高的要求，要求同軸送粉噴嘴所送出的粉末，周向分布更加均勻，具有良好的匯聚性：為了延長噴嘴的使用壽命，要求同軸送粉噴嘴具有良好的冷卻效果；因此本發明的目的在于克服現有噴嘴在激光熔覆過程出現的粉末匯聚效果較差、粉末利用率偏低等缺陷，提供一種粉腔、氣腔和焦距可調式激光同軸送粉噴嘴，具有較好的粉末匯聚效果、較高的粉末利用率、良好的水冷效果，整個噴嘴結構設計合理，加工工藝性好，且操作方便。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種可調式激光同軸送粉噴嘴，包括激光頭及保護鏡、保護鏡水冷套、上部的圓柱激光腔體、中部由激光套內層構成的同軸圓錐激光腔體，激光腔體外下部設置有粉腔、次外層保護氣腔和最外層水冷腔。其特征在于所述粉腔由激光套與一個粉末腔體套通過螺紋聯結后在二者之間形成；所述的次外層保護氣腔由粉末腔體套與一個保護氣套通過螺紋聯結后在二者之間形成；所述粉腔和保護氣腔的厚度通過螺紋聯結在1～3mm之間可調；所述粉腔和保護氣腔的圓錐上部周圍分別設置有多個均布的送粉管和多個均布的送氣管。

上述方案中，粉腔與同軸圓錐激光腔體軸線的夾角為15～30°；保護氣腔與同軸圓錐激光腔體軸線的夾角為20～45°。所述多個送粉管和多個送氣管均可為4～6個。所述最外層水冷腔由保護氣套與噴嘴水冷套焊接后在二者之間形成。水冷腔內設置有螺旋分水塊。螺旋分水塊內側設有進水通道，外側設有螺旋出水通道。

所述上部的圓柱激光腔體外側可設置有由升降外套筒、升降內套筒組成離焦量調節機構，該離焦量調節機構下部設置有由調節底座、調節螺釘組成的激光套對中調節機構；升降內套筒聯結保護鏡水冷套。

本發明與現有技術相比有如下優點：

(1)本發明送粉腔的環錐形通道厚度可以通過調節聯結螺紋得到理想的粉末流態和匯聚直徑，具有調節匯聚直徑大小的能力，可適應輸送不同粒度的粉末。依據噴嘴尺寸大小設置4～6個送粉管，具有足夠長的送粉通道，有利于提高粉末在匯聚點處的均勻性。粉末匯聚直徑最小可達1mm。

(2)本發明設計的水冷腔中設有螺旋分水塊，螺旋分水塊內側開有進水通道，外側開有螺旋出水通道，冷卻水腔中由于螺旋分水塊的存在，能迅速帶走熱量，使激光送粉噴嘴的熱端得到均勻冷卻。避免了冷卻水出現“短路”現象，有效地提高了冷卻效果。